耕地產(chǎn)能評價研究進展與展望

李曉亮，吳克寧，2，褚獻獻，楊淇鈞，張小丹，郝士橫

（1.中國地質(zhì)大學（北京）土地科學技術(shù)學院，北京 100083；2.自然資源部土地整治重點實驗室，北京 100035；3.中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京 100193）

土地的生產(chǎn)能力與食物安全、能源和淡水需求、碳平衡和氣候變化有著密切聯(lián)系，維持土地資源滿足人類生產(chǎn)生活需求的生產(chǎn)能力是21世紀最具挑戰(zhàn)性的問題之一[1]，而準確評估耕地生產(chǎn)能力是保障糧食安全、全面了解耕地資源的基礎(chǔ)[2]。2017年國務(wù)院頒布《關(guān)于加強耕地保護和改進占補平衡的意見》，明確提出“建立健全耕地質(zhì)量和耕地產(chǎn)能評價制度，完善評價指標體系和評價方法”的要求，標志著中國正逐漸從耕地數(shù)量、質(zhì)量保護向耕地產(chǎn)能保護方向的轉(zhuǎn)變[3]；2019年中央一號文件在新的戰(zhàn)略背景下進一步提出了穩(wěn)定糧食產(chǎn)量，推動藏糧于地、藏糧于技，鞏固提高糧食生產(chǎn)能力的要求。不論是建立產(chǎn)能評價指標體系還是開展高標準農(nóng)田建設(shè)、實施藏糧于地政策，國家的核心目標歸根結(jié)底是保護和提高耕地的生產(chǎn)能力[4]。目前，中國對耕地產(chǎn)能的研究主要集中在以農(nóng)用地分等為基礎(chǔ)的產(chǎn)能核算方面[5]，而對于耕地產(chǎn)能機理、耕地健康產(chǎn)能方面的研究相對較少，因此有必要系統(tǒng)梳理國內(nèi)外有關(guān)耕地產(chǎn)能的研究進展，對比分析耕地產(chǎn)能評價的各種方法，為構(gòu)建一套適合中國的耕地產(chǎn)能評價體系提供借鑒和參考。

1 耕地產(chǎn)能研究進展

1.1 土地自然生產(chǎn)力研究階段

一般認為有關(guān)耕地產(chǎn)能方面的研究起源于對土地生產(chǎn)潛力的研究，以1840年VON LIEBIG在Organic chemistry in its applications to agriculture and physiology中提出“最小養(yǎng)分定律（Law of the Minimum）”為開端，他將土地生產(chǎn)力定義為作物種子里和土壤中潛伏的一種力量，憑借這種力量獲得作物產(chǎn)量，并根據(jù)區(qū)域土壤狀況和獲取營養(yǎng)物質(zhì)的差異，又將產(chǎn)量劃分為實際產(chǎn)量和理論最高產(chǎn)量[6]，當土壤環(huán)境中最低量營養(yǎng)物質(zhì)能夠滿足作物生長需求時才有可能達到最高產(chǎn)量[7]?；凇白钚○B(yǎng)分定律”生態(tài)學家又提出了“限制因子定律”和“收獲能量定律”，進一步完善了土地生產(chǎn)力研究。之后其他學者也對土地生產(chǎn)能力進行了系統(tǒng)性分析，如德國農(nóng)學家A. D. THAER依據(jù)土壤質(zhì)地、腐殖質(zhì)含量等土壤性質(zhì)建立了土壤生產(chǎn)潛力評級體系，比較了不同土壤之間的生產(chǎn)能力差異[8]；中國學者任美鍔根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)用農(nóng)作物總價值系數(shù)表示農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力[9]；1961年美國農(nóng)業(yè)部建立了第一個土地資源生產(chǎn)潛力評價方法，將土地生產(chǎn)潛力劃分了三級，最大程度地考慮了自然適宜性對生產(chǎn)潛力的影響，也奠定了世界范圍內(nèi)開展土地生產(chǎn)潛力研究的基礎(chǔ)。該階段學者更多關(guān)注土壤自身屬性和作物的自然適宜性，更側(cè)重土地自然生產(chǎn)能力的研究。

1.2 光溫（氣候）生產(chǎn)力研究階段

通過對作物光合作用中物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化的研究，人們發(fā)現(xiàn)作物的產(chǎn)量與太陽的輻射量、作物的光能利用效率有著緊密的聯(lián)系[10]，竺可楨、黃秉維等學者依據(jù)太陽輻射量建立了光合潛力的評價方法，但該方法的計算結(jié)果明顯高于作物的實際產(chǎn)量，由此學者在光合潛力的基礎(chǔ)上又開展了一系列的修正研究[11]。在實際生產(chǎn)中，田間的水熱條件是影響作物生長的重要因素，為此SLATYER[12]、竺可楨[13]等分別從水分、輻射、溫度等方面開展了對作物產(chǎn)量的研究。在對作物生長與氣候因素之間機理研究的基礎(chǔ)上，Wageningen模型、Miami模型、Thornthwaite Memorial 模型等有關(guān)光溫（氣候）生產(chǎn)潛力模型逐漸建立。1978年FAO開展了農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)的耕地生產(chǎn)潛力研究，建立了光溫生產(chǎn)潛力、光溫水生產(chǎn)潛力和光溫水土生產(chǎn)潛力評價模型，并逐漸被國際廣泛應用。中國農(nóng)用地分等工作以AEZ模型為框架，通過逐級修正的方式核算了中國耕地的生產(chǎn)能力，并建立了分等成果與實際標準糧產(chǎn)量關(guān)系，摸清了理論產(chǎn)能、可實現(xiàn)產(chǎn)能和實際產(chǎn)能狀況[14]。該階段是在了解光、溫、水對作物產(chǎn)量影響的基礎(chǔ)上開展的耕地生產(chǎn)能力評價，雖然該階段也涉及到了土壤、社會、經(jīng)濟技術(shù)等其他因素對耕地產(chǎn)能的影響，但更多是在光溫（氣候）生產(chǎn)潛力研究的基礎(chǔ)上對耕地產(chǎn)能的進一步完善，因此將該階段納入光溫（氣候）生產(chǎn)力研究階段。

1.3 耕地健康產(chǎn)能研究階段

在社會經(jīng)濟的快速發(fā)展下，生態(tài)環(huán)境惡化、土壤污染等問題逐漸顯現(xiàn)，如何保障土壤的健康狀況，保障糧食數(shù)量、質(zhì)量安全，成為各國關(guān)注的焦點。國際上對于耕地健康產(chǎn)能的研究多集中在土壤健康方面，如2002年歐盟實施的土壤環(huán)境評價健康項目[15]，2007年美國康奈爾土壤健康團隊建立的土壤健康評價體系[16]，均是對土壤健康、環(huán)境進行評價。學者更多是對土壤健康指標影響健康狀況因素和評價框架的關(guān)注，如可降解塑料地膜對土壤健康的影響[17]，土壤侵蝕對土壤物理健康狀況的影響[18]等。在評價框架建立方面，部分學者依據(jù)土壤健康指標建立了評價體系，如APFELBAUM等提出以生態(tài)系統(tǒng)健康為組織框架構(gòu)建土壤健康評價體系[19]，RINOT等也提出了基于土壤性質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系的土壤健康評價框架[20]，系統(tǒng)完善了從指標選取到健康評價的整個流程。

目前中國耕地健康產(chǎn)能的研究還處于起步階段，僅有部分學者開展了耕地健康產(chǎn)能研究，李強等基于耕地質(zhì)量、產(chǎn)能和土壤環(huán)境構(gòu)建了耕地健康綜合指數(shù)評價模型，該模型綜合考慮了耕地產(chǎn)能和土壤健康狀況，可較好展現(xiàn)區(qū)域耕地健康狀況[21]；單美以耕地地塊為研究尺度，通過耕地的生產(chǎn)功能和生態(tài)功能核算耕地的健康狀況[22]；趙瑞等基于“需求—功能—維度—要素—指標”邏輯框架系統(tǒng)地考慮了耕地健康和耕地產(chǎn)能之間的關(guān)系[23]。已有研究發(fā)現(xiàn)，中國有關(guān)耕地健康產(chǎn)能的研究多集中在農(nóng)地分等和土壤環(huán)境質(zhì)量成果相融合的方面，未構(gòu)建明確的耕地健康產(chǎn)能評價框架，同時在土壤物理、化學、生物指標對耕地健康產(chǎn)能的影響方面研究相對較少，因此亟需開展耕地健康產(chǎn)能的機理研究，以完善耕地健康產(chǎn)能評價體系?？傮w來說，該階段在耕地產(chǎn)能的基礎(chǔ)上考慮了土壤的健康狀況，并逐步將產(chǎn)能與健康有機結(jié)合，因此將該階段歸納為產(chǎn)能和健康綜合評價階段。

2 產(chǎn)能核算方法研究

2.1 趨勢外推法

趨勢外推法是以作物產(chǎn)量為基礎(chǔ)，采用灰色模型、指數(shù)平滑等方法識別產(chǎn)量變化規(guī)律預測作物現(xiàn)實產(chǎn)量的一種方法[24]。該方法僅考慮作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)，適用于非土壤學家對耕地產(chǎn)能的核算，如1986年中國開展的土地資源生產(chǎn)能力及人口承載量項目采用趨勢外推法通過灰色模型預測和Logistic Growth Curve Model模擬計算2000年作物單產(chǎn)[24]，估算土地的生產(chǎn)能力；SCHELLBERG根據(jù)建立的空間作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)庫在區(qū)域范圍內(nèi)對土地生產(chǎn)力進行預測[25]。該方法雖然簡單易行，但存在對遠期產(chǎn)量預測結(jié)果精度低，對豐收年和災害年敏感較差等問題，目前正逐步被其他方法所替代[26]。

2.2 機制法

機制法又稱潛力逐級修正法，是從作物截光特征和光合作用角度出發(fā)，依據(jù)作物生產(chǎn)能力形成機理，以溫度、水分、土壤逐級修正的計算光溫、氣候、土地生產(chǎn)潛力的一種方法[27]，其中Wageningen模型和AEZ模型應用最為廣泛。與Wageningen模型相比AEZ 模型更全面地考慮了作物生長所需的氣候環(huán)境指標，并可應用于更廣泛的作物生產(chǎn)力評估，是一個被廣泛認可的土地生產(chǎn)力評價模型。中國農(nóng)用地分等體系也沿用了AEZ方法，以全國標準耕作制度二級區(qū)的光溫（氣候）生產(chǎn)潛力為控制，利用土壤屬性、利用水平和經(jīng)濟狀況逐級修正得到相應的生產(chǎn)能力。該體系在縣域范圍內(nèi)以耕地圖斑為評價單元，融合了氣候、地形地貌、作物熟制和區(qū)域特性，考慮了作物生長所需的光、溫、水、土，可較好地評估耕地的生產(chǎn)能力。2017年原國土資源部在“兩套指標體系”耕地產(chǎn)能評價[28]的基礎(chǔ)上開展了耕地健康產(chǎn)能研究，其中由土壤特性、技術(shù)水平、田塊狀況和生物特性對氣候條件逐級修正形成耕地產(chǎn)能，由生產(chǎn)環(huán)境、作物品質(zhì)對系統(tǒng)彈性形成耕地健康，通過空間疊加的方式確定區(qū)域耕地健康產(chǎn)能狀況。

2.3 作物生長模擬法

作物生長模擬法是根據(jù)作物生長全過程所需的輻射量、溫度、水分、土壤等因素，采用相應模型模擬作物生長過程和預測作物產(chǎn)量的方法[29]。1970年DE WIT建立第一個模擬作物生長過程中碳素平衡模型ELCROS[26]，1981年KEULEN在模型中完善了水分和營養(yǎng)狀況對作物生長的影響，形成了ARID CROP模型[30]，拓寬了作物生長模型的應用范圍，隨后美國的DSSAT系統(tǒng)、FAO的AquaCrop模型、中國的水稻生長模型等逐漸建立。但該方法由于缺乏統(tǒng)一的建模標準導致各個模型之間預測結(jié)果的可比性差，只能用于特定目標下的特定區(qū)域，因此亟需建立作物生長模型標準化因子，進一步擴大適用區(qū)域。

2.4 經(jīng)驗法

經(jīng)驗法是通過氣候因素與作物產(chǎn)量之間的函數(shù)關(guān)系建立的產(chǎn)能核算模型[31]，其主要機理是以氣候因素綜合情況表征作物的生產(chǎn)能力，計算的結(jié)果表示的是氣候生產(chǎn)能力。該種方法中Miami模型和Thornthwaite Memorial 模型較為成熟。Miami模型是由LEITH依據(jù)全球50個實測自然植被的凈出生產(chǎn)力和與之相對應的年降水量、年均溫之間的函數(shù)關(guān)系建立的模擬模型[32]；Thornthwaite Memorial 模型采用年實際蒸散量預測生產(chǎn)能力是對Miami模型的進一步完善。由于這兩種模型所需指標較少，從而被各國廣泛應用，但也存在缺乏對其他因素考慮的弊端，僅能表現(xiàn)大的氣候環(huán)境背景下的平均狀況，因此該方法更適合大尺度的耕地氣候生產(chǎn)潛力的測算[29]。

2.5 Storie指數(shù)法

Storie指數(shù)法是基于土壤分類系統(tǒng)和環(huán)境特性建立的一種半定量化的土壤生產(chǎn)力評價方法[33]，依據(jù)土壤剖面狀況、表層質(zhì)地、坡度和土壤及景觀條件4個方面核算土壤生產(chǎn)力，每個評價因素取值范圍為0～100，將各因素評分相乘得到生產(chǎn)力指數(shù)。由于影響因子分級和評分的主觀性較強，2005年O’GEEN等對原有Storie指數(shù)法進行了修訂，增加了pH值、EC、SAR等因素，并依據(jù)美國農(nóng)業(yè)部自然資源保護局（NRCS）和國家土壤信息系統(tǒng)（NAIS）的土壤屬性數(shù)據(jù)，對各指標分值采用模糊函數(shù)的方法劃定分值區(qū)間，將原有因素分級進一步合并，系統(tǒng)地完善了該評價方法[34]。修訂后的Storie指數(shù)法在Libya北部區(qū)域[33]、Andipatti流域[35]都得到了很好地應用。

2.6 耕地地力評價體系

2016年原農(nóng)業(yè)部實施的耕地質(zhì)量等級評價框架是由土壤立地條件、自然屬性等相關(guān)要素綜合構(gòu)成的土地生產(chǎn)能力[36]評價方法。該方法將全國劃分為9大區(qū)域，并規(guī)定了每個區(qū)域的基礎(chǔ)性指標和區(qū)域補充性指標，在基礎(chǔ)性指標中增加了生物多樣性指標，進一步完善了2008年原農(nóng)業(yè)部頒布的《耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》在耕地健康評價方面的不足。該方法以層次分析法確定指標權(quán)重，以隸屬函數(shù)確定各指標分值，最終采用累加法計算耕地質(zhì)量綜合指數(shù)，該綜合指數(shù)即表征耕地的生產(chǎn)能力狀況。

2.7 M-SQR法

The Muencheberg Soil Quality Rating（M-SQR）法是基于絕大多數(shù)的陸生植物都需要良好的生長條件和最佳的土壤質(zhì)量的理念建立的耕地產(chǎn)能評價方法[37]。該方法由基礎(chǔ)指標（Basic Indicators）和危害指標（Hazard Indicators）兩個維度構(gòu)成[37]，其中基礎(chǔ)指標主要是與作物生長發(fā)育有關(guān)的土壤性狀指標，包括表層土壤結(jié)構(gòu)、坡度等共8種評價因子；危害指標主要是限制作物生長的環(huán)境指標，包括污染狀況、鹽化等超過13種評價因子。采用加權(quán)求和的方式計算基礎(chǔ)指標得到耕地本底的生產(chǎn)能力，總分值在0～34之間；采用求積的方式計算危害指標得到耕地的限制情況，總分值在0～2.94之間，通過計算基礎(chǔ)指標和危害指標乘積得到耕地生產(chǎn)潛力。該方法采用危害指標修正基礎(chǔ)指標的方式較好地體現(xiàn)了耕地的基礎(chǔ)地力和限制情況，可滿足不同管理需求，但目前該方法僅編制了谷類作物和草地的指標和評分體系，還需進一步擴展應用范圍。

3 產(chǎn)能核算方法對比研究

為清楚了解各評價方法之間的相互關(guān)系，根據(jù)已有研究對上述部分方法進行了梳理。由于趨勢外推法不能甄別出對耕地產(chǎn)能有影響的因素，因此未選取該方法進行對比；在機制法中選取了中國廣泛應用的農(nóng)用地分等體系和2017年耕地健康產(chǎn)能評價體系試點研究（產(chǎn)能指數(shù)與產(chǎn)量相關(guān)性選取的是“兩套指標體系”中耕地產(chǎn)能評價結(jié)果與產(chǎn)量之間的擬合關(guān)系）；作物生長模擬法選取了較為完善的DSSAT系統(tǒng)；由于經(jīng)驗法計算的是氣候生產(chǎn)潛力，不涉及土壤狀況因此未選取該方法進行對比；Storie指數(shù)法（與產(chǎn)量相關(guān)性包括修訂前和修訂后）、耕地地力評價體系和M-SQR法也被選取進行對比。表1是各評價方法及典型應用，雖未遍及所有文獻，但所選文獻均是典型案例研究，能夠表現(xiàn)出各評價方法之間的差異性和趨勢性。在文獻梳理的基礎(chǔ)上依據(jù)評分規(guī)則對各評價方法進行評分，表2是各評價方法依據(jù)標準及各維度分值。

依據(jù)表2評價分值建立各評價方法的多維尺度分析圖，圖1表示各評價方法之間的相似程度。從圖中可以看出這6種評價方法大致可分為4類。

表1 評價方法及典型應用Tab.1 Evaluation method and typical applications

第一類是DSSAT模型，以全生育期內(nèi)作物生長數(shù)據(jù)來模擬作物產(chǎn)量變化，是在田塊范圍內(nèi)選取對作物產(chǎn)量有影響的指標進行分析，因此該方法可精確模擬田塊范圍內(nèi)耕地的生產(chǎn)能力，能夠準確測算各指標對耕地產(chǎn)能的影響程度。雖然目前隨著遙感技術(shù)與模

型的融合，研究尺度已由田塊尺度發(fā)展到區(qū)域尺度模擬[63-64]，但當研究尺度擴大時，氣象、土壤、管理數(shù)據(jù)等方面存在較大的空間變異性，導致模擬結(jié)果與現(xiàn)實產(chǎn)量的擬合精度將存在較大差異。

（表1續(xù)）

表2 各評價方法及各維度分值Tab.2 Evaluation methods and dimensional scores

圖1 多維尺度分析圖Fig.1 Multi-dimensional analysis

第二類是農(nóng)用地分等體系和M-SQR法，這兩種方法在指標體系、尺度和評價結(jié)果方面都有很好的相似性，二者之間存在的主要區(qū)別是農(nóng)用地分等是在全國范圍內(nèi)依據(jù)光、溫、水采用黃秉維法核算光溫（氣候）生產(chǎn)潛力，依據(jù)區(qū)域土壤、技術(shù)等因素逐級修正得到的結(jié)果，使得分等成果能夠全國可比，而M-SQR法是通過建立World Reference Base for Soil Resources（WRB）中參考土壤類型的各指標分值計算基礎(chǔ)指標分值，實現(xiàn)全國乃至全世界范圍內(nèi)可比。兩種方法評價結(jié)果與糧食現(xiàn)實產(chǎn)量具有較好的相關(guān)性，但分等體系對耕地健康指標選取不足。

第三類是耕地健康產(chǎn)能評價體系，該體系是以AEZ模型為框架，延續(xù)了農(nóng)用地分等思路、細化了技術(shù)水平指標、突出了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)利用水平特點，理論上該方法可適用于田塊、區(qū)域和國家范圍內(nèi)，但由于目前缺少相應研究，在評分時將田塊尺度和國家尺度給定了0分。除此之外，該評價結(jié)果與實際標準糧產(chǎn)量之間擬合程度較差，主要是由于所選指標過多，不能反映主要指標對產(chǎn)能的影響；其次技術(shù)水平部分指標不夠細化，往往是一個鄉(xiāng)鎮(zhèn)給定一個值，沒有對局部差異進行區(qū)分。與其他方法相比，雖然該方法涵蓋了耕地健康診斷層次，但未對耕地健康指標尺度進行區(qū)分（如蚯蚓指標多應用于田塊尺度），導致評價結(jié)果在大尺度范圍內(nèi)存在較高的不確定性。

第四類是耕地地力評價體系和Storie指數(shù)法，這兩種方法更側(cè)重土壤性質(zhì)對土地生產(chǎn)力的影響。耕地地力評價體系雖選取了易受施肥影響的土壤養(yǎng)分指標，但沒有考慮光溫降水等大尺度變異指標，致使計算結(jié)果雖然能夠在小尺度范圍內(nèi)準確評估短期時間內(nèi)耕地現(xiàn)實產(chǎn)量狀況，但不能達到全國可比的目的[65]。Storie指數(shù)法同樣更適合小尺度范圍內(nèi)的耕地生產(chǎn)力評價[66]。與Storie指數(shù)法相比，耕地地力評價體系考慮了土壤生物多樣性和清潔程度指標，關(guān)注了耕地健康狀況；同時將技術(shù)條件指標納入其中，使得評價結(jié)果更符合作物的現(xiàn)實產(chǎn)量情況，評價結(jié)果與產(chǎn)量擬合結(jié)果的波動性相對較小。與其他方法相比，這兩種方法均采用了數(shù)學方法獲取相應的指標分值，一定程度上避免了人為的主觀性。

總體來說，這6種方法在指標體系、應用尺度和與產(chǎn)量相關(guān)性方面均有不同，可借鑒各方法所具有的優(yōu)勢建立中國耕地健康產(chǎn)能評價體系。

4 耕地產(chǎn)能研究展望

目前中國廣泛應用于較大尺度、與耕地產(chǎn)能相關(guān)的評價體系有農(nóng)用地分等體系和耕地地力評價體系；與耕地健康相關(guān)的評價體系一種是土壤污染調(diào)查體系，一種是地球化學調(diào)查評價體系。自然資源部成立之后統(tǒng)一行使全民所有自然資源資產(chǎn)所有者職責，統(tǒng)一現(xiàn)有評價方法建立一套標準化的耕地健康產(chǎn)能評價方法勢在必行。耕地健康和耕地產(chǎn)能是兩個復雜的巨系統(tǒng)，二者之間既有聯(lián)系又有區(qū)別，因此可以借鑒M-SQR評價框架，將耕地健康產(chǎn)能評價體系分為耕地產(chǎn)能評價和耕地健康評價兩大維度，最終以空間疊加或修正的方式計算耕地健康產(chǎn)能評價結(jié)果，為耕地數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”保護提供核算依據(jù)。

耕地產(chǎn)能維度可繼續(xù)沿用農(nóng)用地分等體系的理論框架，以作物生長模擬法探索影響耕地產(chǎn)能指標，結(jié)合耕地地力評價選取與耕地生產(chǎn)能力相關(guān)的土壤指標，選取對土地整治、高標準農(nóng)田建設(shè)后有顯著變化的技術(shù)水平指標，各指標分值可借鑒耕地地力評價采用隸屬函數(shù)的方式確定，最終形成以光溫（氣候）生產(chǎn)力為基礎(chǔ)，以土壤、技術(shù)為修正因子建立耕地產(chǎn)能評價體系，評價結(jié)果可作為耕地占補平衡核算依據(jù)，滿足中國實行按等補貼、按等折算的政策要求。

耕地健康維度可參考康奈爾土壤評價框架[66]，結(jié)合土壤污染調(diào)查體系和地球化學調(diào)查評價體系選取對耕地健康狀況有影響的指標。同時應探索適合不同尺度下的土壤健康指標，避免因各尺度之間指標的混用造成評價結(jié)果的不準確性。通過對耕地健康指標綜合評價，得到的耕地健康指數(shù)可用于監(jiān)測土壤改良和退化狀況，提供改善土壤健康的管理策略，滿足耕地生態(tài)保護的要求。